STEAM理念下中小学机器人教育与学科的融合研究

（长春市第九十八中学校，吉林 长春 130041）

一、研究背景

近几年，随着STEAM教育在各中小学校开展的不断深入，不少学校还参加了关于STEAM教育教学等方面课题的研究，使得STEAM教育理念得到推广，并被广大教师所认可。机器人教学作为STEAM教育的代表之一，在广大中小学校中受到欢迎，与此同时，各级教育部门加大资金投入力度，为机器人教育的开展提供了硬件保障。

目前，机器人教育在中小学校存在的形式多以校本课为主，各学校根据已有的设备有针对性地进行教学，着重培养学生的设计能力和创新能力。越来越多的家长认识到机器人教育的重要性，注重孩子动手操作能力和思维的培养，鼓励并支持孩子学习。

二、STEAM教育和机器人教育的概念界定

（一）STEASTEAMM教育

二十世纪八十年代，美国相关部门发表的《本科的科学、数学和工程教育》报告，首次明确提出“科学、数学、工程和技术教育集成”的纲领性建议[1]，从中可以看出把科学、技术、工程、数学四门学科英文的首字母集合在一起就构成了STEM。随着STEM教育教学实践的不断深化，又把“艺术（Arts）”纳入到STEM教育中，扩充了STEM教育的内涵。

以上可以看出STEAM教育是集科学、数学、工程等学科的整合体。它打破了学科之间的界限[2]，通过教育教学设计把相关学科的知识和技术融入到课堂之中，学生能够多方面、多角度地分析问题，拓宽解决问题的思路，有效地培养学生的创新能力。

（二）机器人教育

机器人教育是STEAM教育的典型代表之一。我国对机器人教育广义的界定是以彭绍东为代表的，他认为机器人教育是指学习、利用机器人，优化教育效果及师生劳动方式的理论与实践[3]。

狭义的定义主要以郭善渡为代表，认为机器人教育包括机器人学科教学、机器人辅助教育、机器人与传统学科相互渗透[4]。

从两种定义来看，中小学机器人教育属于狭义的机器人学科教学，可以理解为集数学、物理、美学、计算机等为一体的多学科融合的综合课程。

三、机器人教育与各学科的融合

（一）机器人教育与数学的融合

美国的卡耐基梅隆大学机器人学院的院长曾指出：“多数教师忽略机器人本应有的关键的STEM教学过程，他们的教学使学生在设计过程中过于随意，并且绕开了可能的数学问题，这些教学方法弱化了问题解决的过程，使学生失去了更多的学习机会”。

避开数学谈机器人教育教学的融合是不现实的。下面本研究仅以两个基础搭建为例说明数学和机器人教育的融合问题。

1.“两点确定一条直线”这一基本定理在机器人学科中的迁移

把已有的两个乐高连杆连接起来，用一个销进行连接，两个连杆会以这个销为中心分别进行任意角度的旋转，如果用两个销进行连接两个连杆就会固定在一起无法分开。按照这个思路，把一个连杆固定在一个面上也是一样。在课堂上通常称之为“一点旋转，两点固定”。这种迁移恰恰赋予了“两点确定一条直线”在实践中运用的新形式，使数学问题在机器人教育中得到深刻的理解和运用，这正是美国教育家杜威提出的“做中学”思想的验证。

2.左右对称（镜像对称）图形在机器人学科中的应用

以“金字塔”蛋糕的搭建为例，此课的项目探究过程设计如下：

(1)分析金字塔有哪几种图形构成；

(2)搭建出第一步分析后得出的图形；

(3)这几种图形对折有几种折法；

(4)用这几种图形围成金字塔的形状；

(5)搭建“金字塔”蛋糕，研究平均分成二份有几种分法。

学生在探究过程中以金字塔建筑为例，通过观察和分析建筑本身的图形特点，完成项目任务，得出结论，进一步了解了什么是轴对称图形，并理解了什么是左右对称图形。

这个项目任务的设定把学生带入了实际生活中，通过解决实际问题，让学生理解了一系列的数学知识，实现了平面思维到立体思维的过渡。

以上两个例子说明，机器人教育在搭建方面也始终离不开数学的相关基础知识，这种融合是深入骨髓里的，而且相辅相承。

（二）机器人教育与物理学科的融合

根据学生的年龄特点进行课程设计，充分发挥机器人教育本身的优势，深入挖掘所涉及到的物理知识，让学生们在学会学习的基础上进行深层次的探究。

以“跷跷板”的搭建一课为例，对于这个年龄段的学生都有过玩跷跷板的经历，因此教师完全可以设置情境 ，抛出问题——“我们如何把对方跷起来？”，围绕这个问题设置相应的任务，让学生们操作并得出结论。

探究过程可以这样构建：一是搭建一个以支点为中心等臂的跷跷板；二是搭建一个以支点为中心不等臂的跷跷板。学生分组进行，要求等臂的跷跷板两头放上不同质量的物体，不等臂的两侧放上等质量的物体，观察结果。

整节课下来学生从生活实际体验出发，亲自动手操作完成搭建任务，思考问题，再通过一定的任务，探究深层次的物理知识，最终解决问题，得出相应的结论。

此设计基于STEAM教育和项目式学习，旨在培养孩子们的探究学习能力和思维方法。在这节课的教学设计过程中加强与物理学科的融合，为以后完成更复杂的学习探究任务奠定良好的学科基础。

（三）机器人教育与信息技术的融合

全国中小学计算机教育研究中心的主任苗逢春认为：机器人教学集中承载着中小学信息技术教育的诸多核心价值，中小学机器人教学是最具持续发展潜力的中小学信息技术领域之一[5]。从苗逢春的论述中我们可以看出，机器人教育教学活动已经从某种程度上成为了不可替代的信息技术课程。近几年，在各级政府的大力投入下，一部分中小学校增设了机器人的校本课程或以机器人比赛为主要载体的科技小组。

以吉林长春为例，每年省、市都会举办各种机器人大赛或创客大赛。在机器人大赛中，每个赛项都会有一个承载的主题，一般是亟待解决的现实生活问题。学生们以小组为单位，利用互联网等途径收集信息、处理加工信息，给出解决方案。每个比赛作品都融合了传感技术、计算机技术、通信技术等。需要学生用硬件的搭建造就机器人的身体，利用信息技术赋予机器人以“灵魂”。只有经过不断深入地探究，达到“灵魂”与“肉体”的完善结合，才能在比赛中击败对手，最终胜出。

（四）机器人和美学的融合

美是一种思维方式，机械美学的心理基础认为只有机械本身的功能性合格，这样的作品才称其为美的。机器人的美是内在功能和外在形式的统一。

对套管瓷套表面受力情况进行分析，在变压器抽真空期间(在真空度为4mbar以下的状态下)，计算是按照变压器内部为绝对真空进行计算，油箱承受101Kpa(约为1个大气压)的内外压差，变压器油箱的材料为Q235B的钢板，厚度约为20mm厚，利用力学分析中常用的方法，采用PRO/engineer Wildfire建立的模型，结构强度分析采用ANSYS软件，在进行数值分析时，部分单元格采用ANSYS的Mesh模型结构和计算机硬件系统设定合适的单元划分。

几年的教学经验也验证了这一点，每一个作品经过反复地修改，功能会不断地完善，外形会愈来愈趋向“完美”，视觉感观会越来越变得让人赏心悦目。作品从开始的杂乱无章到最后的完美展现在其背后正说明了思绪的无厘头到思维的清晰明了。在这个过程中，对称美几乎贯穿了整个中小学机器人教育教学的始终。

随着机器人教育教学的逐步深入，学生的知识融合意识逐渐增强，把分散在各科之中的“知识点”习惯性地串联起来，形成分析问题、解决问题的能力，最后创造出美的作品。

四、机器人教育的启示

（一）团队合作意识逐渐形成

当今社会，“单打独斗”已经适应不了现代社会的发展需要。每一种成功，它的背后都必然会有一个团结奋进的集体。这足以说明团体合作的重要性。机器人课在探究的过程中要根据任务的设定尽量采取小组合作的方式，合适宜地分组进行探究学习，在团体中发挥个体特长和优势，助力个人成长，增强策略意识和团队共同发展意识。

这一形式在比赛中表现的尤为突出。现阶段的比赛无论是省赛还是国家赛，大多数的比赛都要求二人或三人一组，在合作中有分工。强化团队意识，讲究策略和团队精神。

（二）创新能力不断提高

STEAM教育的目标之一是培养学生的创新能力。创新能力是对已有知识和经验的重新加工和创造的能力。也有人认为创新能力是一种“特殊的解题能力”，这种特殊性体现在当遇到棘手问题时，能够摒弃常规思路，另辟蹊径，使问题能够得到很好的解决。

目前中小学机器人教育有两个方面：一方面是基于多学科融合的机器人教学领域；另一方面是侧重于竞赛的活动领域。共同点都是在了解自然世界的基础上，运用科学知识，创造性地重新组合或排列已有技能，形成新的想法并付诸实践以解决问题。

(1)教师根据规划,激发学生的热情,对规划进行解读;

(2)围绕主题进行任务解剖,学生和教师共同分析、设计解决方案;

(3)完成硬件的搭建和程序的编写；

(4)制定出相应的应对策略。

以上流程，尤其在第二、三阶段中学生和教师要针对比赛布置的不同任务研究出各自的解决方案，硬件的设计要做到兼顾整体，点面结合。教师通常会用探究式或是研究性学习组织教学。实际上每一年的FLL主题在达到目标的过程中都可以确定为一个项目，可见这两种学习方式在创造力发展中起着重要的作用，而项目式学习实际就是STEAM教育的体现。

五、总结

综上所述，STEAM教育下的机器人教育是一门综合性较强的学科融合课程。它是依赖于多学科存在的多元体，各学科之间互相扶持，增进学生综合素质能力，使学生的团队意识在机器人课程和比赛中逐渐形成，培养了学生的创新思维。

因此，我们要不断地深化教育教学改革，改善外部环境，培养大批具有STEAM教育理念的优秀教师，为STEAM教育的持续发展奠基。